Un oscilador RC es un tipo de oscilador de onda sinusoidal que utiliza componentes electrónicos lineales para generar una salida de onda sinusoidal. Un oscilador LC sintonizado funciona bien a frecuencias más altas, pero a frecuencias más bajas el tamaño de los condensadores e inductores en el tanque o circuito de tiempo se vuelve muy grande.
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Por tanto, los osciladores RC son más adecuados para aplicaciones de baja frecuencia. Un oscilador RC consta de un amplificador y una red de retroalimentación. Esta red de retroalimentación es una red de desplazamiento de fase formada por una gran cantidad de condensadores y resistencias dispuestos en forma de escalera. Por lo tanto, este oscilador también se denomina red de cambio de fase RC en escalera.
El principio básico de un oscilador de desplazamiento de fase RC es que la salida del amplificador pasa a través de una red de desplazamiento de fase antes de retroalimentar una parte de la salida del amplificador a la entrada. La condición necesaria para que se produzca la oscilación es que el cambio de fase total a través del bucle debe ser de 360 grados.
Por lo tanto, además del cambio de fase de 180 grados introducido por el amplificador, esta red de cambio de fase RC proporciona un cambio de fase de 180 grados, por lo que el cambio de fase total es de 360 grados, que también es igual a 0 grados.
Antes de comprender el funcionamiento de este oscilador, primero analizamos el circuito de cambio de fase RC utilizado en la red de retroalimentación.
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Tabla de contenido
Red de cambio de fase RC
La siguiente figura muestra una única red RC con una resistencia R y un condensador C colocados en serie. En este diagrama, la impedancia total del circuito es una combinación de resistencia y reactancia inductiva.
Z = R – jXc
Z = Z ∠ – Ф ohmios
Considere que el valor del voltaje efectivo aplicado es Vi voltios. En este momento la corriente que circula por el circuito viene dada por:
Yo = (Vi ∠0)/Z
I = (Vi ∠ Ф)/ Z
donde Z = √ (R2 + Xc2) y
Ф = tan-1(Xc / R)
De la ecuación obtenida anteriormente, está claro que la corriente se adelanta al voltaje de entrada Vi en un ángulo Ф. La caída de voltaje a través de la resistencia está en fase con la corriente, pero la caída de voltaje a través del capacitor está retrasada con respecto a la corriente en 90 grados. Los resultados de estas dos caídas de voltaje se muestran en la siguiente figura.
Por lo tanto, al ajustar los valores del capacitor C y la resistencia R, el ángulo Ф se ajusta para que sea igual a 60 grados.
red de retroalimentación
Como se mencionó anteriormente, se utilizan múltiples circuitos RC en la red de retroalimentación para proporcionar el cambio de fase requerido. Para un cambio de fase total del bucle de 360 grados, esta red debe proporcionar un cambio de fase total de 180 grados.
Una red de una sola sección RC proporciona hasta 90 grados de cambio de fase debido a la presencia de un solo polo en su función de transferencia. Por lo tanto, al menos dos redes RC son suficientes para generar el cambio de fase de 180 grados requerido.
Sin embargo, en un oscilador de desplazamiento de fase RC real, tres redes de desplazamiento de fase RC están en cascada, y cada sección proporciona 60 grados de desplazamiento de fase.
Por lo tanto, el cambio de fase total proporcionado por estas tres secciones en la red de retroalimentación es de 180 grados (3 × 60). Esta red de retroalimentación se muestra en el siguiente diagrama.
Circuito de oscilación RC
El oscilador de cambio de fase RC consta de un amplificador de una sola etapa de emisor común con una red de retroalimentación de cambio de fase que consta de tres secciones RC idénticas. Los amplificadores de una sola etapa se pueden construir utilizando transistores o amplificadores operacionales (Op-amps) como elementos activos.
Oscilador de cambio de fase RC usando BJT
En este oscilador transistorizado, se utiliza un transistor como elemento activo de la etapa de amplificación. La siguiente figura muestra un circuito oscilador RC que utiliza un transistor como elemento activo. El punto de funcionamiento de CC en la región activa del transistor se establece mediante las resistencias R1, R2, RC, RE y la tensión de alimentación Vcc.
El condensador CE es un condensador de derivación. Las tres secciones RC se consideran idénticas y la resistencia de la última sección es R’ = R – hie. La resistencia de entrada del transistor hie se suma a R’, por lo que la resistencia neta que presenta el circuito es R.
Las resistencias de polarización R1 y R2 son grandes y no afectan el funcionamiento de CA del circuito. Además, la impedancia introducida por la combinación RE – CE es insignificante y por tanto no afecta el funcionamiento de CA.
Cuando se aplica energía a un circuito, los voltajes de ruido (generados por componentes eléctricos) comienzan a oscilar dentro del circuito. La pequeña corriente de base de un amplificador de transistores produce una corriente con un desplazamiento de fase de 180 grados.
Cuando esta señal se devuelve a la entrada del amplificador, nuevamente se desfasa 180 grados. Si la ganancia del bucle es igual a 1, se produce una oscilación sostenida.
Simplificando el circuito con un circuito CA equivalente, obtenemos:
frecuencia de vibración,
f = 1/ (2 π RC √ ((4Rc / R) + 6))
Si Rc/R << 1,
f= 1/ (2 π RC √ 6)
estado de vibración sostenida,
hfe (mín) = (4 Rc/R) + 23 + (29 R/Rc)
Para un oscilador desfasado con R = Rc, hfe debe ser 56 para sostener la oscilación.
De la ecuación anterior, queda claro que para cambiar la frecuencia de oscilación, necesitamos cambiar los valores de R y C.
Sin embargo, para cumplir con las condiciones de oscilación, estos valores para las tres secciones deben cambiarse simultáneamente. Por lo tanto, los osciladores desfasados se utilizan a todos los efectos prácticos como osciladores de frecuencia fija, ya que esto no es posible en la práctica.
Problema de ejemplo
Para el oscilador RC transistorizado, elija los valores del condensador C y del transistor hfe para proporcionar una frecuencia de oscilador de 2 KHz con resistencia Rc=10KOhms y R=8KOhms.
dado que
Rc=10×103Hz
R = 8 × 103Hz
f = 2 × 103Hz
Para un oscilador de desplazamiento de fase, la frecuencia de oscilación viene dada por:
f = 1/ (2 π RC √ ((4Rc / R) + 6))
2×103= 1/(2 π × 8 × 103 C √ ((4 × 10 × 103 /8×103) + 6))
C = 3,0 × 10-9 F o 0,003μF
El valor de la ganancia del transistor viene dado por la siguiente fórmula:
hfe ≧ (4 Rc/R) + 23 + (29 R/Rc)
hfe ≧ (4 × 10 × 103/8×103) + 23 + (29 × 8 × 103 /10×103)
hfe≧51.2
Por tanto, los valores del condensador son C = 3,0 × 10-9 F y hfe = 51,2.
Oscilador de cambio de fase RC usando amplificador operacional
Los osciladores RC de amplificador operacional son osciladores de uso común en comparación con los osciladores de transistores. Este tipo de oscilador consta de un amplificador operacional como etapa de amplificación y tres redes en cascada RC como circuito de retroalimentación, como se muestra en la siguiente figura.
Este amplificador operacional funciona en modo inversor, por lo que la señal de salida del amplificador operacional se desplaza 180 grados con respecto a la señal de entrada que aparece en el terminal inversor. Además, la red de retroalimentación RC proporciona 180 grados adicionales de cambio de fase, que es la condición para obtener la oscilación.
La ganancia de un amplificador o amplificador operacional se ajusta mediante las resistencias Rf y R1. Para obtener la oscilación deseada, ajuste la ganancia de modo que el producto de la ganancia del amplificador operacional y la ganancia de la red de retroalimentación sea ligeramente mayor que 1.
Si el opamp proporciona una ganancia mayor que 29, el circuito anterior actuará como un oscilador ya que la ganancia del bucle es mayor que 1.
frecuencia de vibración,
1/ (2πRC√6)
La condición de vibración viene dada por A ≥ 29.
Ajustando Rf y R1 podemos obtener el valor de ganancia del amplificador (A) tal que se produzca oscilación en el circuito.
Problema de ejemplo
Para un oscilador de desplazamiento de fase RC de amplificador operacional particular, determine el valor de Rf requerido para el circuito y también determine la frecuencia de oscilación.
Se sabe que las condiciones de oscilación se expresan de la siguiente manera.
A=29
donde A es la ganancia del amplificador, o ganancia de la red de retroalimentación, β = 1/29 = R3/Rf.
Por lo tanto, Rf = 29 × R3
= 29 × 10 × 103
= 290K ohmios
Dado que R1 = R2 = R3 = R y C1 = C2 = C3 = C,
Entonces, la frecuencia de vibración es
f = 1/ (2 π RC √ 6)
= 1/ (2 π × (10 × 103)×0,01×10-6 ×√6)
= 6,5 kHz.
Ventajas de los osciladores de cambio de fase.
- La ausencia de inductores voluminosos y costosos hace que el circuito sea fácil de diseñar y adecuado para frecuencias inferiores a 10 KHz.
- Pueden producir formas de onda sinusoidales puras porque sólo una frecuencia puede satisfacer el requisito de cambio de fase de Barkhausen.
- Fijado a una frecuencia.
Desventajas de los osciladores de cambio de fase.
Los osciladores de cambio de fase no son adecuados para uso de frecuencia variable porque requieren cambiar los valores del capacitor. Además, cada vez que cambia la frecuencia, se requiere un ajuste de ganancia para cumplir con las condiciones de oscilación.
- Estos osciladores producen un nivel de distorsión del 5% en su salida.
- Este oscilador tiene poca retroalimentación y por lo tanto sólo una pequeña salida.
- Estos circuitos osciladores requieren altas ganancias que no son posibles en la práctica.
- La estabilidad de la frecuencia disminuye debido a efectos como la temperatura y el envejecimiento de varios componentes del circuito.